Araştırmacılar, geleneksel soğutma çözümlerinden daha az sera gazı emisyonu üretebileceğini düşündükleri eski bir teknoloji olan termoakustik ısı pompaları hakkında konuştular.
Dünya nüfusu arttıkça ve iklim ısındıkça, insanlık kendi kendini soğutmak için giderek daha verimli araçlara ihtiyaç duyacaktır – hem de büyük ölçekte. Uzmanlara göre, 2050 yılına kadar klima gibi soğutma cihazlarının sayısı küresel olarak iki katına, belki de dört katına çıkabilir.
Şu anda 3 milyar dondurucu ve ısı pompası kullanılıyor ve binalarda kullanılan elektriğin %20’si klimalar ve elektrikli fanlar tarafından kullanılıyor. Bu teknolojilerin kullanımı, atık ısı üretimi, enerji kullanımı ve sera gazı emisyonları ile birlikte artacaktır.
Bu, küresel ısınmayı durdurmak için çabalayan bir dünya için korkunç bir haber.
Faz değişimli termoakustik soğutma, bir araştırma grubunun geliştirmekte olduğu yeni bir yaklaşımdır. Technion doktora adayı Nathan H. Blanc’a göre termoakustik soğutmanın geleneksel iklimlendirmeye göre pek çok avantajı var. “Daha uzun bir teknoloji yaşam döngüsü ile çok daha sürdürülebilir” diyor. Kasım 2022’de Indianapolis, Indiana’da düzenlenen APS Division of Fluid Dynamics (DFD) toplantısında Blanc yakın zamanda yayınlanan araştırmasını sundu.
Blanc’ın Technion danışmanı Guy Z. Ramon ve Ramon’un eski postdoc’u ve Energy Conversion and Management dergisinde yayınlanan en son makalelerinin ilk yazarı olan Rui Yang ortak yazarlardır. Yang şu anda Pekin’de Fizik ve Kimya Teknik Enstitüsü’nde ilgili bir araştırma programı geliştiriyor.
Artan ilgiye rağmen termoakustik soğutma ilk olarak 1980’lerde geliştirilmiştir. Şu anda emekli olan araştırmacı bilim adamı Greg Swift, kariyerine Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’nda alternatif enerji alanında doktora sonrası araştırmacı olarak başladı.
Akıl hocası bir keresinde şehir dışına bir geziye çıkmış ve bir şeyler düşünerek geri dönmüş. Ona göre, bu alan “en temel termoakustik matematiğin basit deneysel testleriyle” kuruldu.
Termoakustik soğutma süreci nedir?
İlk olarak, ısı değiştiren malzemeyle kaplı bir tüp inert bir gazla kapatılır. Daha sonra tüpün içine bir ses dalgası gönderilir. Dalganın düşük basınçlı bölgelerinde gaz genişler ve ısıyı emer; yüksek basınçlı bölgelerde ise gaz sıkışır ve ısıyı serbest bırakır.
Isı emilimi ve salınımı ses dalgası tarafından kontrol edilebilir.
Blanc, DFD toplantısında bir dalganın her bir gaz parçasını yalnızca kısa bir mesafeye itmesine rağmen, birleşik etkinin bir “kova tugayı” anlamına geldiğini ve çok az veya hiç hareketli mekanik eleman içermeyen güvenilir bir ısı pompalama sistemi oluşturduğunu açıkladı. Bu da sistemin ömrünü uzatır ve arızalanma olasılığını azaltır.
Aslında bu teknoloji o kadar güvenilir ki yakın zamanda NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu’ndaki orta kızılötesi ışık spektrograf cihazını soğutmak için kullanıldı. Blanc’a göre, “bir teknolojiyi uzaya ancak onu tamir edecek kimsenin olmadığı bir yerde gönderirsiniz”
Amerikalı bilim insanlarının bu alana yaptıkları tarihi katkılara rağmen, Google Scholar’da “termoakustik soğutma” terimini arattığınızda Amerikalı akademisyenler tarafından yapılmış çok fazla yeni çalışma bulamazsınız.
Swift, yanma ile çalışan bir kriyojenik doğal gaz sıvılaştırıcısının “[bu teknikle] pratik bir şeyler yapmak için en önemli girişimimiz” olduğunu söylüyor. Fiziği çözdük ve önemli mühendislik ilerlemeleri kaydettik ve sonra amiral gemisi battı. Neden battı? Tahminlerine göre, ekibin sıvılaştırıcısı geleneksel bir sıvılaştırıcı kadar etkili olamayacaktı.
Swift’in termoakustik alanındaki çalışmaları 2000’li yılların ortalarında sona erdi ve ona göre bu alandaki Amerikan yeniliklerinin çoğu hızla durdu.
Ancak Blanc’ın grubu sadece Swift’in çalışmalarını sürdürmekle kalmıyor. Blanc’ın ekibi, sadece inert bir gaza bağlı kalmak yerine ısı transferini kolaylaştırmak için bir faz değişim sıvısı ekliyor. Daha fazla ısıyı depolamak ve serbest bırakmak için faz değişim sıvısı sıvı ve gaz halleri arasında çevriliyor. Grup şimdiye kadar su, etanol ve izopropanolü test etti.
Ekibin en son araştırmasına göre, faz değişim sıvısı sistemin sıcaklık aralığını sınırlasa bile, prototipleri 10°F’lik sıcaklık farkları arasında ısı pompalarken geleneksel termoakustik soğutmadan iki kat daha etkili. Hesaplamalara göre, tam ölçekli modeller geleneksel klima sistemlerinden daha etkili olabilir.
Swift, “Kesinlikle büyülendim” diyor. Isının büyük bir kısmının inert bir gazdaki adyabatik basınç dalgalanmaları yerine faz kayması yoluyla meydana gelmesi oyunun kurallarını değiştirebilir.
Blanc, Ramon ve Yang da tam olarak aynı şeyi umuyor. Yang’a göre verimlilikteki artış “termoakustik soğutmaya geleneksel teknolojilerle rekabet etme şansı veriyor.”
Ekibin prototip ısı pompası şu anda güç için şebeke elektriği kullanıyor, ancak Blanc’a göre bir sonraki adım, pompayı tüm enerjisi güneş veya atık ısıdan gelecek şekilde tasarlamak.
Yapılacak çok iş olmasına rağmen grup iyimser görünüyor. Yang, bulgularının termoakustik soğutmanın geniş bir alanda kullanılmasına yardımcı olacağını umduğunu ifade ediyor.
Kaynak: aps.org/publications/apsnews/202301/sound-waves.cfm
